KR100904375B1 - 퓨즈 장착 전지 카트리지와 그것을 포함하는 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 또는 둘 이상의 단위전지들을 내장한 상태로 상호 결합될 수 있는 한 쌍의 장방형 프레임 부재로 이루어져 있고, 각각의 프레임 부재에는 단위전지가 장착될 수 있는 셀 구획부, 단위전지의 전극리드를 전기적으로 연결하기 위한 버스 바, 및 다른 카트리지 또는 외부 장치와 전기적으로 연결하기 위한 전극 단자를 포함하고 있으며, 상기 전극 단자는 프레임 부재의 양쪽 상단 모서리로부터 돌출되어 있고, 프레임 부재의 양쪽 하단 모서리에는 퓨즈가 장착될 수 있는 만입부가 형성되어 있는 구조로 퓨즈 장착 전지 카트리지와, 상기 전지 카트리지를 다수 개 교번 배향 방식으로 중첩시킨 전지 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 전지 카트리지와 전지 모듈은 카트리지의 구조 및 크기를 크게 변화시키지 않고 퓨즈를 안정적으로 장착할 수 있으므로, 중대형 전지 시스템에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

퓨즈 장착 전지 카트리지와 그것을 포함하는 전지 모듈 {Fuse-installed Battery Cartridge And Battery Module Having The Same}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 카트리지의 사시도이다;
도 2는 도 1의 카트리지를 다수 개 중첩시켜 제작된 전지 모듈의 사시도이다;
도 3 및 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈에서 양극 단자 연결부와 음극 단자 연결부의 부분 확대도들이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100: 전지 카트리지
200: 단위전지
30, 310: 전극단자
400: 전지 모듈
본 발명은 퓨즈가 장착되어 있는 전지 카트리지와 그것을 포함하는 전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수의 전지 카트리지들로 구성된 중대형 전지 시스템용 전지 모듈에서 전지 카트리지 상호간의 연결부위에 퓨즈가 안정적으로 장착될 수 있는 있도록 구성된 전지 카트리지와, 그러한 퓨즈 장착 전지 카트리지를 포함하는 것으로 구성된 전지 모듈이 제공된다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반하여, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 대형 디바이스들에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 시스템이 사용된다.
그러한 중대형 전지 시스템은 일반적으로 다수의 단위전지들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 카트리지에 내장하고, 이러한 카트리지 다수 개를 전기적으로 연결하여 제작한 전지 모듈로 구성되어 있다. 경우에 따라서는, 다수의 전지 모듈을 조합한 전지 팩으로 구성되기도 한다.
일반적으로 전지 모듈 또는 전지 팩에는 과도한 전류가 흐를 때 시스템의 보호를 위해 퓨즈가 장착된다. 그러한 퓨즈는 전지 팩의 출력 단자에 연결되거나 또 는 전지 모듈, 전지 카트리지 등의 연결부위에 별도의 부재로서 장착된다.
그러나, 퓨즈가 전지 팩의 출력 단자에 연결되어 있는 구조에서는, 이상이 발생한 전지 카트리지의 확인이 용이하지 않고, 고전류가 흐를 경우에만 퓨즈의 절단이 일어나므로 퓨즈의 절단 전에 일부 단위전지들의 손상이 발생할 수 있는 문제점을 가지고 있다. 반면에, 전지 모듈간 또는 전지 카트리지간의 연결부위에 퓨즈를 설치하는 경우에는, 퓨즈의 설치를 위한 별도의 공간 내지 장치를 필요로 하므로, 전지 모듈 또는 전지 팩의 구조가 복잡해지고 그것의 크기가 불가피하게 증가되는 문제점을 가지고 있다.
예를 들어, 한국 특허출원공개 제2002-44684호와 제2004-950호에는 전지 모듈 또는 전지 카트리지의 연결부위에 퓨즈를 연결하기 위하여 특정한 구조의 퓨즈 케이스를 포함하고 있거나 또는 전지 팩 케이스의 하단에 별도의 퓨즈 연결장치를 포함하고 있는 전지 팩의 구조가 개시되어 있다. 이러한 구성은 앞서 설명한 바와 같이 복잡한 내부 구조와 큰 크기의 전지 모듈 또는 전지 팩을 초래한다.
따라서, 전지 시스템의 안전성을 확보하면서 간단한 구조로 퓨즈가 장착될 수 있는 전지 카트리지 내지 전지 모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 전지 모듈 또는 전지 팩의 구조 또는 크기를 크게 변 화시키지 않으면서 퓨즈를 안정적으로 장착할 수 있는 전지 카트리지를 제공한다.
본 발명의 또다른 목적은 그러한 카트리지들의 조합시 퓨즈가 안정적으로 장착된 중대형 전지 시스템용 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명에서 사용된 용어들 중, "전지 카트리지"는 하나 또는 다수의 단위전지들을 전기적으로 연결한 상태로 내장하고 있는 하나의 세트를 의미하고, 전지 모듈 은 다수의 전지 카트리지를 중첩시켜 전기적으로 연결한 하나의 세트를 의미하며, 전지 팩 은 예를 들어 일정한 케이스에 장착되어 있는 전지 모듈을 다수 개 전기적으로 연결한 구조물을 의미한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지 카트리지는 하나 또는 둘 이상의 단위전지들을 내장한 상태로 상호 결합될 수 있는 한 쌍의 장방형 프레임 부재로 이루어져 있고, 각각의 프레임 부재에는 단위전지가 장착될 수 있는 셀 구획부, 단위전지의 전극리드를 전기적으로 연결하기 위한 버스 바, 및 다른 카트리지 또는 외부 장치와 전기적으로 연결하기 위한 전극 단자를 포함하고 있으며, 상기 전극 단자는 프레임 부재의 양쪽 상단 모서리로부터 돌출되어 있고, 프레임 부재의 양쪽 하단 모서리에는 퓨즈가 장착될 수 있는 만입부가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지 카트리지는 장방형 구조물 내부에 퓨즈의 장착을 위한 공간이 확보되어 있으므로 구조가 간단하고, 퓨즈의 장착부위가 프레임 부 재 자체(더욱 구체적으로는, 전지 모듈의 구성을 위해 다수의 카트리지들을 중첩시킬 때 인접한 카트리지의 프레임 부재들에 의해 확보된 공간)에 의해 보호되므로 전지의 작업 중 또는 사용 중에 손상될 가능성이 매우 적다.
본 명세서에서의 용어 "만입부"는 프레임 부재가 그것의 측면으로부터 안쪽으로 오목하게 도입되어 있는 형상 뿐만 아니라 주변의 구조로 인해 상대적으로 만입된 구조를 갖게 되는 형상을 모두 의미한다. 예를 들어, 상단 모서리의 전극 단자가 프레임 부재의 측면으로부터 돌출되어 있는 경우, 하단 모서리는 프레임 부재의 측면으로부터 안쪽으로 오목하게 도입되어 있지 않더라도 퓨즈의 설치를 위한 만입부가 형성될 수 있다.
본 발명은 또한 이러한 전지 카트리지들을 사용하여 카트리지들의 전기적 연결부위에 퓨즈가 설치된 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전지 모듈은 상기와 같은 다수의 전지 카트리지들을 중첩시켜 제작되는 전지 모듈로서, 상호 인접한 제 1 카트리지와 제 2 카트리지의 각각의 전극 단자가 대향 방향으로 중첩되어 있고, 제 1 카트리지는 그것과 동일한 배향 방향으로 배치된 제 3 카트리지(제 2 카트리지에 이웃한 카트리지)와 전기적으로 연결되며, 제 1 카트리지와 제 3 카트리지는 제 2 카트리지의 만입부에 설치된 퓨즈를 경유하여 전기적으로 연결되는 교번 배향 연결방식으로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 카트리지들이 교번 배향 연결방식으로 중첩됨에 따라, 카트리지(제 2 카트리지)의 양쪽 하단 모서리에 형성되어 있는 만입부는 인접한 카트리지들 (제 1 및 제 3 카트리지들)의 프레임 부재에 의해 퓨즈 장착을 위한 공간으로 만들어지며 또는 이들 인접한 카트리지들의 프레임 부재에 의해 보호될 수 있다.
본 발명의 전지 모듈에서는, 동일한 배향으로 배치되는 카트리지들(제 1, 제 3, 제 5 카트리지들)이 연속하여 전기적으로 연결되고, 그와 대향 방향으로 배치된 카트리지들(제 2, 제 4, 제 6 카트리지들)이 또한 연속하여 전기적으로 연결된다. 이러한 전기적 연결은 직렬방식 또는 병렬방식일 수 있다. 직렬방식 연결의 경우에는 최하단의 카트리지(제 N 카트리지)는 그것에 인접한 카트리지(제 N-1 카트리지)에 전기적으로 연결된다.
카트리지에 내장되는 이차전지는 충방전이 가능한 전지로서, 바람직하게는 높은 집적도(밀집도)로 축적될 수 있는 각형 전지 또는 파우치형 전지 등이 사용될 수 있으며, 그 중 파우치형 전지가 더욱 바람직하다.
단위전지는 양극, 음극, 분리막 및 전해질이 전지 케이스에 밀봉된 상태로 내장되어 있으며, 얇은 필름상의 양극과 음극 사이에 미세 다공성 분리막이 개재된 전극 조립체가 권취된 형태와 양극/분리막/음극의 풀셀 또는 바이셀이 순차적으로 적층된 형태 등 다양한 구조가 가능하다. 양극과 음극에 각각 도포되어 있는 활물질 역시 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 양극 활물질은 높은 안전성의 리튬 망간계 산화물로 이루어져 있고, 음극 활물질은 탄소 재료로 이루어져 있다. 특히, 바람직한 단위전지는 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의 해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 카트리지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지 카트리지(100)는 상호 결합될 수 있는 1 쌍의 프레임 부재들(110, 112)로 이루어져 있다. 단위전지들(200, 201)은 형개된 프레임 부재(110, 112)의 셀 구획부(120) 내에 안착되며, 프레임 부재들(110, 112)을 상호 결합시켰을 때 그곳에 고정된다. 단위전지(200)의 전극 리드(도시하지 않음)는 카트리지(100) 상부의 버스(130)를 통해 인접한 단위전지(201)와 전기적으로 연결된다. 도 1에서는 단위전지들(200, 201)이 직렬방식으로 연결되어 있는 구조가 예시되어 있지만, 경우에 따라서는 병렬방식의 연결도 가능하다. 그러한 구성을 바탕으로, 카트리지(100)의 좌우 상단 모서리의 단자 돌출부(140, 150)의 양극단자(300)와 음극단자(310)에 전기적으로 연결된다.
셀 구획부(130)를 형성하는 중간 프레임들(160)의 상단 및 하단에는 각각 프레임 부재들(120, 122)을 결합하기 위한 체결구(162)가 돌출되어 있다. 또한, 측부 프레임(170)에는 중첩시킨 다수의 카트리지들(100)을 상호 연결하기 위한 체결구(172)가 돌출되어 있다.
카트리지(100)의 양쪽 하단 모서리, 즉, 돌출된 체결구(172)의 하단에는 퓨즈의 장착을 위한 만입부(180, 190)가 형성되어 있다.
도 2에는 도 1의 전지 카트리지를 다수 개 교번 배향 연결방식으로 중첩시킨 상태에서 퓨즈가 설치된 상태의 전지 모듈의 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 제 1 카트리지(101)와 제 3 카트리지(103)는 동일한 배향으로 배열되어 있고, 제 2 카트리지(102)는 대향 배향으로 배열되어 있다. 전지 모듈(400)을 구성하는 나머지 카트리지들도 이러한 교번 배향 연결방식으로 배열되어 있다.
제 1 카트리지(101) 와 제 3 카트리지(103) 사이에는 제 2 카트리지(102)의 만입부(182, 192)가 위치하고, 그곳에 퓨즈(500)가 설치된다.
도 3과 도 4에는 카트리지의 만입부에 퓨즈가 장착된 전지 모듈의 일부 확대도가 도시되어 있다.
우선, 도 3을 참조하면, 제 1 카트리지(101)의 양극 돌출부(141)는 제 3 카트리지(103)의 양극 돌출부(143)과 동일한 배향으로 배열되어 있고, 그 사이에 위치한 제 2 카트리지(102)의 만입부(182)에 퓨즈(500)가 설치된다. 퓨즈(500)는 제 1 카트리지(101)의 양극 단자(301)와 제 3 카트리지(103)의 양극 단자(301)를 전기적으로 연결한다(병렬 연결방식). 경우에 따라서는, 직렬 연결방식도 가능하다.
제 2 카트리지(102)의 만입부(182)에 안착되어 있는 퓨즈(500)는 제 1 카트리지(101)의 돌출부(141)과 제 3 카트리지(103)의 돌출부(143)에 의해 외관이 보호되어 있다. 따라서, 전지의 작업 중 또는 사용 중에 파손될 위험이 적다.
도 4를 참조하면, 앞서와 마찬가지로, 제 1 카트리지(101)의 음극 돌출부(151)는 제 3 카트리지(103)의 음극 돌출부(153)과 동일한 배향으로 배열되어 있고, 그 사이에 위치한 제 2 카트리지(102)의 만입부(192)에 퓨즈(500)가 설치된다. 퓨즈(500)는 제 1 카트리지(101)의 음극 단자(311)와 제 3 카트리지(103)의 음극 단자(313)를 전기적으로 연결한다(병렬 연결방식).
제 3 카트리지(103)의 양극 돌출부(143) 표면에는 퓨즈의 안정적으로 고정할 수 있도록 퓨즈(500)의 크기에 상응하는 안착 돌기(510)가 형성되어 있다. 이러한 안착 돌기(510)는 바람직하게는 제 1 카트리지(101)의 양극 돌출부(141) 저면에도 형성되어 있어서, 양극 돌출부(143)의 안착 돌기(510)와의 조합으로 퓨즈를 더욱 안정적으로 고정할 수 있다.
이상 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 카트리지와 전지 모듈은 카트리지의 구조 및 크기를 크게 변화시키지 않고 퓨즈를 안정적으로 장착할 수 있으므로, 중대형 전지 시스템에 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 하나 또는 둘 이상의 단위전지들을 내장한 상태로 상호 결합될 수 있는 한 쌍의 장방형 프레임 부재로 이루어져 있고, 각각의 프레임 부재에는 단위전지가 장착될 수 있는 셀 구획부, 단위전지의 전극리드를 전기적으로 연결하기 위한 버스 바, 및 다른 카트리지 또는 외부 장치와 전기적으로 연결하기 위한 전극 단자를 포함하고 있으며, 상기 전극 단자는 프레임 부재의 양쪽 상단 모서리로부터 돌출되어 있고, 프레임 부재의 양쪽 하단 모서리에는 퓨즈가 장착될 수 있는 만입부가 형성되어 있는 구조로 이루어진 전지 카트리지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 만입부는 프레임 부재가 그것의 측면으로부터 안쪽으로 오목하게 도입되어 있는 형상 또는 주변의 구조로 인해 상대적으로 만입된 구조를 갖게 되는 형상인 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상단 모서리의 전극 단자는 프레임 부재의 측면으로부터 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 카트리지의 전극 단자 돌출부에는 퓨즈를 안정적으로 고정할 수 있도록 퓨즈의 크기에 상응하는 안착 돌기가 표면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단위전지는 파우치형 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  6. 제 1 항에 따른 전지 카트리지들을 중첩시켜 제작되는 모듈로서, 상호 인접한 제 1 카트리지와 제 2 카트리지의 각각의 전극 단자가 대향 방향으로 중첩되어 있고, 제 1 카트리지는 그것과 동일한 배향 방향으로 배치된 제 3 카트리지(제 2 카트리지에 이웃한 카트리지)와 전기적으로 연결되며, 제 1 카트리지와 제 3 카트리지는 제 2 카트리지의 만입부에 설치된 퓨즈를 경유하여 전기적으로 연결되는 교번 배향 연결방식으로 구성된 전지 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서, 동일한 배향으로 배치된 상기 제 1 카트리지와 제 3 카트리지의 전기적 연결은 제 1 카트리지와 제 3 카트리지의 상호 대면하는 전극단자들이 직렬방식 또는 병렬방식으로 연결된 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
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